老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法技术

本发明专利技术公开了一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法。基于Fick第二扩散定律得到混凝土内钢筋的锈蚀初始时间，在锈蚀速率模型中考虑混凝土锈胀开裂的影响；采用小裂纹增长与近阈值裂纹增长分析，通过开展钢筋材料的疲劳裂纹扩展试验确定材料疲劳裂纹扩展速率相关参数；进行腐蚀钢筋疲劳试验或有限元分析获得不同腐蚀水平下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中，得到锈蚀影响下钢筋疲劳裂纹扩展速率；比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小并逐步转化为钢筋疲劳裂纹单增长机制分析，同时结合车辆荷载观测信息来实现桥梁在不同服役阶段的寿命评估。本发明专利技术预测方法合理，推广性强，可为服役混凝土桥梁的寿命评估提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及服役桥梁安全评估领域，特别涉及一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法。
技术介绍
钢筋混凝土桥梁在服役过程中不断承受反复的车辆荷载作用。同时，在除冰盐或沿海等环境下桥梁中钢筋极易发生腐蚀。钢筋腐蚀会加速疲劳累积损伤，显著降低结构使用寿命。随着结构设计理论逐步向充分利用材料强度方面转变，再加之日益增长的交通量及超载的影响，钢筋混凝土桥梁所受的应力幅会越来越大，发生疲劳损伤的可能性大大提高。已有研究表明腐蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命的降低主要由钢筋截面减小和疲劳强度退化引起，可忽略粘结退化的影响，疲劳失效均表现为钢筋疲劳断裂的脆性破坏。因此，可将受拉钢筋作为研究主体。目前疲劳剩余寿命预测主要采用两种方法，一种是基于材料疲劳寿命曲线和损伤累积规则的分析法，另一种是基于断裂力学和裂纹增长的分析法。采用线性损伤累积损伤方法计算简便，但在随机荷载下可能会产生较大偏差，难以作为疲劳寿命评估的单一标准。基于断裂力学理论的分析方法多是基于单轴加载下长裂纹的增长进行分析，现有研究主要将这一方法应用于纯疲劳分析，而未考虑腐蚀影响；该方法的另一个必要条件是获得初始裂纹，而受材料质量、施工水平及结构表面不平滑等客观条件的限制，对准确探测初始裂纹带来很大困难。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是，一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：步骤一：基于Fick第二扩散定律，计算混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界值的时间，即得到锈蚀初始时间；步骤二：采用锈蚀电流密度来表示钢筋锈蚀速率，计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度时间，得到考虑锈胀开裂影响的钢筋锈蚀速率计算模型；通过开展钢筋材料的疲劳裂纹扩展试验确定材料疲劳裂纹扩展速率相关参数，进行腐蚀钢筋疲劳试验或有限元分析获得不同腐蚀水平下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中，获得锈蚀影响下钢筋疲劳裂纹扩展速率，比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小，得到裂纹增长速率与锈坑增长速率相等时所经历时间；步骤三：通过钢筋疲劳裂纹增长分析，对疲劳裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分，得到发生疲劳断裂所经历的荷载周期数，结合实测荷载频率，进而得到钢筋疲劳裂纹扩展控制时间。所述的方法，所述的步骤一包括：基于Fick第二扩散定律，将钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度的时间作为腐蚀初始时间，腐蚀初始时间Ti表示为式中：Ti为钢筋腐蚀初始时间；Dc为扩散系数；C0为混凝土表面氯离子浓度；erf为误差函数；C为保护层厚度；Ccr为临界氯离子浓度。所述的方法，所述的步骤二包括，经t年后混凝土内钢筋表面的局部腐蚀深度为p(t)＝0.0116R∫icorr(t)dt(2)式中：p(t)为锈坑深度；R为腐蚀不均匀系数；icorr(t)为电流密度；t为时间；腐蚀开始t年后电流密度为icorr(t)＝32.1(1-w/c)-1.64·(t-Ti)-0.29/C(3)式中：w/c为水灰比；同时引入加速系数kac来考虑混凝土保护层开裂对腐蚀速率的影响，式中：Tsp,lim为锈胀开裂损伤时间，Tsp,lim＝Ti+Tcr+Tcc；Tcr为锈蚀开始至开裂时间；Tcc为开裂至界限宽度时间，其中，式中：d0为钢筋周围空隙厚度；D为钢筋直径；υ为泊松比；ψ＝(D+2d0)2/2C(C+D+2d0)；ft为混凝土抗拉强度；Eef为混凝土有效弹性模量，Eef＝Ec/(1+φcr)；Ec为混凝土弹性模量；φcr为蠕变系数；fc为混凝土强度；式中：Wlim为界限宽度；钢筋表面锈坑增长速率为等效初始裂纹表示为式中：ai为等效初始裂纹尺寸；ΔKth为临界应力强度因子，疲劳裂纹增长速率图中10-10m/周对应的值；Δσf为疲劳极限；Y为几何修正因子；其中几何修正因子Y表示为Y＝G(0.752+1.286β+0.37ω3)(9)式中：ω＝1-sinβ；a为裂纹长度；开展疲劳裂纹扩展速率试验，钢筋疲劳裂纹增长速率表示为da/dN＝C(ΔK-ΔKth)m(10)式中：C、m为与材料相关参数，由材料裂纹扩展实验绘制的裂纹扩展速率-应力强度因子幅曲线拟合得到；N为疲劳循环次数；ΔK为应力强度因子幅，Δσ为应力幅值，Δσ＝σmax-σmin，钢筋应力大小通过有限元模拟或《混凝土结构设计规范GB50010-2010》计算获得；计算腐蚀影响下的应力强度因子，在疲劳裂纹扩展速率试验的基础上，将锈坑引起应力集中的影响进行量化，采用下式计算锈坑根部应力强度因子Kp(t)，其中，Kt为应力集中因子；应力集中因子采用有限元方法按实际锈坑尺寸建模计算或按下式简化计算采用一个塑性修正因子来反映材料的塑性变形，即式中：ρ为弹性区域尺寸；σ0为材料静力拉伸强度；考虑塑性修正的应力强度幅值a'为考虑塑性修正的裂纹长度，即a'＝a+ρ；将锈坑根部应力强度因子引入在疲劳裂纹扩展速率试验中，得到考虑锈蚀影响的疲劳裂纹扩展速率模型，将该模型转化为时间t的函数da/dt＝C(ΔKp(t)-ΔKth)mf(14)式中：f为反复车辆荷载的频率；随着荷载的不断增加，存在一个时间点Ttr，使得锈坑增长速率与裂纹增长速率相等，即所述的方法，所述的步骤三包括，通过对裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分来实现最后的寿命评估式中：ac为失效时对应的裂纹临界长度，由材料的断裂韧性和作用荷载获得，根据桥梁实测的车辆荷载频率f将疲劳荷载数N换算为时间Tcp。所述的方法，寿命评估包括三个阶段：钢筋锈蚀初始时间Ti、钢筋锈坑增长控制时间Ttr和钢筋疲劳裂纹扩展控制时间Tcp。本专利技术的技术效果在于，采用理论与试验相结合的分析方法，并融入实桥车辆荷载信息，可有效考虑钢筋腐蚀形态、锈胀开裂、应力集中、坑蚀增长速率与裂纹增长速率的竞争，预测方法合理，推广性强，可为服役混凝土桥梁的寿命评估提供技术支持。附图说明图1为本专利技术的疲劳寿命评估整体示意图。图2为材料疲劳裂纹速率相关参数拟合示意图。图3为锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率竞争示意图。图4为专利技术的计算流程图。具体实施方式如图1所示，寿命评估可分为三个阶段：钢筋锈蚀初始时间Ti、钢筋锈坑增长控制时间Ttr、钢筋疲劳裂纹扩展控制时间Tcp。具体包括步骤为：(1)确定钢筋腐蚀初始时间基于Fick第二扩散定律，将钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度的时间作为腐蚀初始时间，腐蚀初始时间可表示为式中：Ti为钢筋腐蚀初始时间；Dc为扩散系数；C0为混凝土表面氯离子浓度；erf为误差函数；C为保护层厚度；Ccr为临界氯离子浓度。(2)确定钢筋腐蚀速率大小经t年后混凝土内钢筋表面的局部腐蚀深度为p(t)＝0.0116R∫icorr(t)dt(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于Fick第二扩散定律，计算混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界值的时间，即得到锈蚀初始时间；步骤二：采用锈蚀电流密度来表示钢筋锈蚀速率，计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度时间，得到考虑锈胀开裂影响的钢筋锈蚀速率计算模型；通过开展钢筋材料的疲劳裂纹扩展试验确定材料疲劳裂纹扩展速率相关参数，进行腐蚀钢筋疲劳试验或有限元分析获得不同腐蚀水平下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中，获得锈蚀影响下钢筋疲劳裂纹扩展速率，比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小，得到裂纹增长速率与锈坑增长速率相等时所经历时间；步骤三：通过钢筋疲劳裂纹增长分析，对疲劳裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分，得到发生疲劳断裂所经历的荷载周期数，结合实测荷载频率，进而得到钢筋疲劳裂纹扩展控制时间。

【技术特征摘要】
1.一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基于Fick第二扩散定律，计算混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界值的时间，即得到锈蚀初始时间；
步骤二：采用锈蚀电流密度来表示钢筋锈蚀速率，计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度时间，得到考虑锈胀开裂影响的钢筋锈蚀速率计算模型；通过开展钢筋材料的疲劳裂纹扩展试验确定材料疲劳裂纹扩展速率相关参数，进行腐蚀钢筋疲劳试验或有限元分析获得不同腐蚀水平下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中，获得锈蚀影响下钢筋疲劳裂纹扩展速率，比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小，得到裂纹增长速率与锈坑增长速率相等时所经历时间；
步骤三：通过钢筋疲劳裂纹增长分析，对疲劳裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分，得到发生疲劳断裂所经历的荷载周期数，结合实测荷载频率，进而得到钢筋疲劳裂纹扩展控制时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤一包括：
基于Fick第二扩散定律，将钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度的时间作为腐蚀初始时间，腐蚀初始时间Ti表示为
式中：Ti为钢筋腐蚀初始时间；Dc为扩散系数；C0为混凝土表面氯离子浓度；erf为误差函数；C为保护层厚度；Ccr为临界氯离子浓度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤二包括，
经t年后混凝土内钢筋表面的局部腐蚀深度为
p(t)＝0.0116R∫icorr(t)dt(2)
式中：p(t)为锈坑深度；R为腐蚀不均匀系数；icorr(t)为电流密度；t为时间；腐蚀开始t年后电流密度为
icorr(t)＝32.1(1-w/c)-1.64·(t-Ti)-0.29/C(3)
式中：w/c为水灰比；
同时引入加速系数kac来考虑混凝土保护层开裂对腐蚀速率的影响，
式中：Tsp,lim为锈胀开裂损伤时间，Tsp,lim＝Ti+Tcr+Tcc；Tcr为锈蚀开始至开裂时间；Tcc为开裂至界限宽度时间，其中，
式中：d0为钢筋周围空隙厚度；D为钢筋直径；υ为泊松比；ψ＝(D+2d0)2/2C(C+D+2d0)；ft为混凝土抗拉强度；Eef为混凝土有效弹性模量，Eef＝Ec/(1+φcr)；Ec为混凝土弹性模量；φcr为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马亚飞，郭忠照，张建仁，王磊，刘永明，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43